Углубленное объяснение технологических принципов и вспомогательных систем генерации кислорода методами VPSA и PSA

1. Технология генерации кислорода VPSA

Вакуумная короткоцикловая адсорбция (VPSA) — это передовая технология разделения кислорода из воздуха. Она использует разницу в адсорбционной способности различных компонентов воздуха на адсорбентах. Адсорбент избирательно адсорбирует газы при повышении давления и десорбируется для регенерации при снижении давления до вакуумного состояния.

Оборудование для генерации кислорода VPSA работает с использованием электричества в качестве источника энергии и воздуха в качестве сырья. Оно использует свойство молекулярных сит увеличивать адсорбционную способность азота при положительном давлении и уменьшать ее при отрицательном. Циклический процесс адсорбции при положительном давлении и вакуумной десорбции достигается путем чередования работы двух адсорбционных сосудов, что позволяет разделять кислород и азот из воздуха и непрерывно производить промышленный кислород.

Процесс генерации кислорода VPSA является физическим адсорбционным процессом, не включающим химических реакций или загрязнения окружающей среды, что делает его идеальным методом подачи кислорода. По сравнению с традиционным криогенным производством кислорода, процесс VPSA имеет значительные преимущества, включая более простой состав и процесс, более легкое управление, более быстрый запуск, безопасную и надежную работу при нормальной температуре и низком давлении, более низкое энергопотребление и значительно более низкую стоимость производства кислорода.

1.1 Процесс оборудования для генерации кислорода VPSA с двумя сосудами

Оборудование для генерации кислорода VPSA использует воздух в качестве сырья. Воздух сначала проходит через воздушный фильтр и поступает в роторный компрессор, где сжимается, прежде чем войти в адсорбер, который завершил регенерацию и находится в работе.

Внутри адсорбера влага, диоксид углерода и другие молекулярные газы в воздухе адсорбируются в первую очередь. Затем осушенный воздух проходит через специализированное молекулярное сито для производства кислорода, где адсорбируется азот, что позволяет обогащать кислород на выходе. Обогащенный кислородом газ затем регулируется по давлению через управляющий клапан и поступает в буферный резервуар. На выходе из буферного резервуара кислород дополнительно сжимается кислородным компрессором до требуемого давления. Кислород под высоким давлением затем охлаждается и хранится в резервуаре для хранения кислорода, откуда подается конечным потребителям.

Для обеспечения непрерывной и стабильной подачи кислорода установка генерации кислорода VPSA спроектирована с двумя адсорбционными колоннами, которые работают попеременно. Пока одна колонна производит кислород, другая проходит вакуумную регенерацию. Во время регенерации адсорбированный обогащенный азот десорбируется и выбрасывается на улицу после обработки для снижения шума.

1.2 Сценарий применения

Оборудование VPSA для кислорода подходит для промышленного производства кислорода различных масштабов, обеспечивая чистоту кислорода примерно 80%–93%.

2. Основные компоненты установки VPSA для кислорода

Установка VPSA для кислорода состоит из 7 основных компонентов, включая систему радиальных адсорберов, энергосистему (компрессоры и вакуумные насосы), систему КИПиА, буферные резервуары для кислорода, систему сжатия кислорода (опционально), систему электрического управления и систему водоснабжения.

Схема технологического процесса генерации кислорода VPSA

2.1 Система радиальных адсорберов

Установка разделения кислорода и азота является основным компонентом оборудования для генерации кислорода. Она в основном состоит из 2 попеременно работающих адсорбционных колонн, а также пневматических переключающих дисковых затворов, пневматических регулирующих дисковых затворов и ручных дисковых затворов. Разделение кислорода и азота достигается на основе разницы в адсорбционной способности молекул азота и кислорода на высокоэффективных специализированных молекулярных ситах для кислорода в процессах адсорбции при положительном давлении и десорбции при отрицательном давлении.

Программируемый логический контроллер (ПЛК) управляет электромагнитными клапанами, которые, в свою очередь, регулируют пневматические клапаны в соответствии с заданной последовательностью. Это обеспечивает автоматическую работу кислородной системы, гарантируя непрерывное производство кислорода. Тем временем вакуумный насос откачивает и выбрасывает азот и другие газовые компоненты.

2.1.1 Адсорбционная колонна

Двухадсорберная конструкция обеспечивает непрерывную подачу газа, удовлетворяя потребности заказчика. Внутри адсорбера заполняются молекулярные сита для осушки и молекулярные сита LiX, что позволяет эффективно разделять компоненты воздуха и соответствовать требованиям по производству кислорода.

2.1.2 Пневматический переключающий дисковый затвор

Электромагнитные клапаны управляются системой контроля для периодического переключения потока газа между двумя адсорберами, обеспечивая стабильную работу кислородного оборудования.

2.1.3 Пневматический регулирующий дисковый затвор

В процессе выравнивания давления и продувки устанавливается пневматический регулирующий дисковый затвор для оптимизации эффектов выравнивания и продувки. Клапан обладает равнопроцентной регулируемостью, нулевой утечкой и длительным сроком службы и др.

2.2 Силовая система – Воздуходувка

Являясь силовым компонентом воздухозабора всей системы, воздуходувка обеспечивает подходящий источник газа с положительным давлением для системы разделения кислорода и азота, играя важную роль в обеспечении стабильной и эффективной работы системы. Система воздуходувки включает входной воздушный фильтр, воздуходувку и ее согласованный двигатель, байпасный пневматический переключающий дисковый затвор, ручной дисковый затвор, теплообменник, сильфонные соединители (или гибкие вставки) и другое вспомогательное комплектное оборудование.

2.2.1 Воздуходувный агрегат и согласованный двигатель

Воздуходувка Рутса — это объемная газовая воздуходувка. Внутри ее корпуса два ротора поддерживают определенный зазор зацепления и приводятся синхронными зубчатыми колесами во вращение с равной скоростью в противоположных направлениях. Этот механизм перемещает всасываемый газ от входа к выходу, преодолевая сопротивление газа высокого давления на стороне выхода, обеспечивая принудительный выпуск.

Внутри корпуса два ротора в форме восьмерки установлены перпендикулярно на паре параллельных валов. Роторы приводятся парой шестерен с передаточным числом 1:1 для синхронного вращения в противоположных направлениях. Между роторами, а также между роторами и внутренней стенкой корпуса насоса поддерживается определенный зазор.

Ключевым компонентом воздуходувки Рутса является ротор, а сердцевина ротора — в его профиле. Рабочие колеса используют специальный профиль новой конструкции, обеспечивающий равномерный зазор зацепления между двумя роторами, уменьшающий внутренние утечки и повышающий объемный КПД. Кроме того, высокоточные и высокопроизводительные компоненты, такие как синхронные шестерни, подшипники и PTFE-уплотнения, обеспечивают стабильную работу с низким уровнем вибрации.

Согласованный двигатель — это трехфазный асинхронный двигатель со степенью защиты IP23–IP54 и классом изоляции F. Он отличается высокой эффективностью, энергосбережением, низким уровнем шума, минимальной вибрацией, легкой конструкцией, надежной работой, а также простотой установки и обслуживания.

2.2.2 Байпасный пневматический переключающий дисковый затвор и ручной дисковый затвор

Для повышения степени извлечения продуктного газа в процессе VPSA и PSA два адсорбера проходят процесс выравнивания в течение определенного периода. Во время этой фазы выравнивания воздуходувка сбрасывает избыточный газ через байпас. Кроме того, для предотвращения обратного потока при остановке воздуходувки требуется механизм декомпрессионной защиты байпаса. Поэтому устанавливается байпасная система, где пневматический переключающий дисковый затвор программируется на внешний сброс. Дополнительно устанавливается ручной дисковый затвор для эффективного регулирования выходного давления воздуходувки.

Клапан представляет собой двухэксцентриковый пневматический дисковый затвор с жестким уплотнением, предназначенный для частого переключения с коротким циклом. Он характеризуется нулевой утечкой, длительным сроком службы и коротким временем переключения.

2.2.3 Теплообменник

После сжатия воздуходувкой температура воздуха на выходе достигает примерно 65°C, в то время как оптимальное рабочее условие для молекулярного сита составляет 30–40°C. Для обеспечения эффективного использования молекулярного сита требуется теплообменник для охлаждения нагретого воздуха.

2.2.4 Сильфонный соединитель

При работе воздуходувки Рутса неизбежны значительные вибрации. Чтобы минимизировать влияние вибрации на последующее оборудование и снизить шум, вызванный вибрацией, на входе и выходе воздуходувки устанавливаются парные гибкие соединители и сильфонные соединители.

2.3 Силовая система – Вакуумный насос

После достижения молекулярным ситом динамического насыщения во время адсорбции необходима десорбция и регенерация. Исследования показали, что регенерация молекулярного сита более эффективна в условиях отрицательного давления (вакуума). Система вакуумного насоса является незаменимым компонентом всей системы. Она состоит из вакуумного насосного агрегата и его согласованного двигателя, байпасного пневматического переключающего дискового затвора, ручного дискового затвора, сильфонных соединителей (или гибких соединителей) и другого вспомогательного оборудования.

2.3.1 Вакуумный насосный агрегат и двигатель

Вакуумный насос Рутса — это роторный объемный вакуумный насос, конструктивно происходящий от воздуходувки Рутса. Его принцип работы идентичен принципу работы воздуходувки Рутса.

2.3.2 Байпасный пневматический переключающий дисковый затвор и ручной дисковый затвор

Для предотвращения обратного потока при отключении вакуумного насоса устанавливается байпас для предварительного сброса давления, обеспечивая запуск и остановку при нулевом давлении. Для этого устанавливается байпасный клапан. Кроме того, ручной дисковый затвор используется для точной регулировки давления всасывания вакуумного насоса.

Клапан представляет собой переключающий дисковый затвор с мягким уплотнением, разработанный для удовлетворения требований нулевой утечки в условиях длительного переключения.

2.3.3 Сильфонный соединитель

При работе вакуумного насоса Рутса неизбежны значительные вибрации. Чтобы минимизировать влияние вибрации на последующее оборудование и снизить шум, вызванный вибрацией, на входе и выходе вакуумного насоса устанавливаются гибкие соединители или сильфонные соединители.

2.4 Система приборного воздуха

Как пневматические дисковые затворы, так и пневматические регулирующие дисковые затворы требуют источник приборного воздуха с давлением примерно 0,5-0,7 МПа в качестве движущей силы привода во время автоматического переключения управления. Система состоит из таких компонентов, как фильтр обработки источника воздуха и ресивер. Для обеспечения коэффициента эксплуатации к фильтрующему блоку, требующему частого технического обслуживания, добавляется байпасный клапан.

2.5 Кислородный буферный резервуар

Система кислородного буферного резервуара в основном состоит из кислородного буферного резервуара, расходомера с диафрагмой, анализатора чистоты кислорода, регулирующего клапана и датчика давления.

Кислородный буферный резервуар служит ключевой мерой для смягчения чрезмерных колебаний давления в адсорберах и стабилизации давления и чистоты продуктного кислорода.

2.6 Система сжатия кислорода (опционально)

Система сжатия кислорода состоит из кислородного дискового затвора, кислородного компрессора и других компонентов. Ее основная функция — повышение давления продуктного кислорода до требуемого пользователем уровня и подача его в кислородный резервуар.

Система хранения кислорода включает кислородные резервуары, клапаны, манометры, предохранительные клапаны и другие компоненты. Ее основная функция — хранение части продуктного кислорода для обеспечения стабильной подачи кислорода. Кроме того, она обеспечивает временную подачу кислорода в случае внезапного отключения, предотвращая отказ системы подачи кислорода.

2.7 Электрическая система и система контрольно-измерительных приборов и управления

Электрическая система и система контрольно-измерительных приборов и управления включает промышленный компьютер, электрический шкаф управления, шкаф КИПиА, программируемый логический контроллер (ПЛК), электромагнитные клапаны, индикаторные лампы, кнопки управления и другие компоненты.

Система работает автоматически в соответствии с программой, записанной в ПЛК, управляя включением и отключением электромагнитных клапанов, которые, в свою очередь, открывают и закрывают пневматические клапаны через пневматическую систему управления. Она собирает и обрабатывает различные сигналы, отображая рабочее состояние кислородного оборудования. Пользователи могут задавать или изменять параметры управления на промышленном компьютере для настройки или проверки рабочего состояния оборудования.

2.8 Водяная система

Водяная система обычно состоит из двух частей: циркуляционной системы и системы уплотнительной воды. Циркуляционная система в основном включает градирню, водяные насосы, фильтры, трубопроводы подачи и возврата воды, а также соответствующие клапаны. Она обеспечивает охлаждающей циркуляционной водой всю кислородную систему. Система уплотнительной воды в основном используется для подачи воды на рабочее колесо вакуумного насоса с целью повышения герметизации, что позволяет достичь более высокого уровня вакуума в процессе десорбции. Для этих целей обычно используется умягченная вода или обессоленная вода, система производства которой предоставляется специализированными производителями.

VPSA компании PKU Pioneer и Технология производства кислорода методом PSA представляет собой экономически эффективное, гибкое и надежное решение для промышленного снабжения кислородом. С диапазоном расхода кислорода 50~100 000 Нм³/ч и общими уровнями чистоты 80~94%, наши кислородные системы предлагают значительно более низкие затраты по сравнению с традиционными методами ASU (установки разделения воздуха) или LOX (жидкий кислород). Самостоятельно произведенный литийсодержащий адсорбент и инновационная конструкция радиальной колонны обеспечивают большую производительность кислорода, оптимальную производительность и энергоэффективность. За последние 25 лет мы успешно реализовали более 400 проектов кислородных установок по всему миру, включая крупнейшую в мире систему VPSA-O2 (146 000 Нм³/ч) и крупнейшую в Китае установку VPSA-O2 (87 500 Нм³/ч).

Компания PKU Pioneer экспортировала системы VPSA/PSA в более чем 20 стран и регионов, обслуживая более 30 отраслей с подтвержденной экспертизой. Наш сертифицированный по CE контейнерный генератор SPOX VPSA-O2 был экспортирован в Италию и установка PSA-CO будет построен в США. Имея наибольшее количество ссылок на VPSA и PSA в мире, PKU Pioneer продолжит лидировать в отрасли, предоставляя эффективные, устойчивые и индивидуальные кислородные решения для удовлетворения уникальных потребностей большего числа клиентов.